(57)【要約】【課題】基板への熱的負荷を小さく抑えた半導体薄膜のアニール処理に好適に用いることが可能なレーザ処理装置を提供する。【解決手段】処理対象となる基板Ｗを載置するステージ１と、半導体レーザ発振器２ａを有しステージ１上に載置された基板Ｗ表面に対して法線方向からレーザ光Ｌｈを照射する光源部２と、ステージ１上に載置された基板Ｗ表面の法線方向を軸方向として光源部２から照射されたレーザ光Ｌｈの光路上に配置された対物レンズ３と、対物レンズ３をその軸に対して垂直方向に移動させることにより、ステージ１上に載置された基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈを走査させる二軸デバイスドライバー（走査制御部）４とを備えた。【選択図】図１
2006344844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理対象となる基板を載置するステージと、
前記ステージ上に載置された基板表面に対して法線方向からレーザ光を照射する光源部と、
前記ステージ上に載置された基板表面の法線方向を光軸方向として前記光源部から照射されたレーザ光の光路上に配置された対物レンズと、
前記対物レンズをその光軸に対して垂直方向に移動させることにより、前記ステージ上に載置された基板に対して当該レーザ光を走査させる走査制御部とを備えた
ことを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項２】
請求項１記載のレーザ処理装置において、
前記光源部は、半導体レーザ発振器を備えている
ことを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項３】
請求項２記載のレーザ処理装置において、
前記光源部、対物レンズ、および走査制御部を備えた処理ユニットを複数備え、
前記ステージ上に載置された基板の各位置に対して前記複数の処理ユニットによって前記レーザ光が多点照射される
ことを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項４】
請求項１記載のレーザ処理装置において、
前記光源部にはＧａおよびＮを含む化合物半導体レーザ発振器、またはＺｎおよびＯを含む化合物半導体レーザ発振器、またはＺｎ、Ｃｄ、Ｓｅ、Ｓを含む化合物半導体レーザ発振器、またはＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ及びＰを含む化合物半導体レーザ発振器と第二高調波発生器を備えた
ことを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項５】
請求項１記載のレーザ処理装置において、
処理対象となる材料に対して吸収されない波長、または吸収しても処理対象物が物理的化学的変化を生ずる程には昇温しない範囲の小さな吸収を有する波長の検査光を、前記光源部から照射される前記レーザ光と共に前記ステージ上に載置された基板に照射する検査光源部を備えている
ことを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項６】
請求項５記載のレーザ処理装置において、
前記ステージ上に載置された基板表面で反射して検出された前記検査光に基づいて前記対物レンズをその光軸方向に移動させることにより、前記レーザ光の焦点を調整するフォーカス制御部を備えた
ことを特徴とするレーザ処理装置。
【請求項７】
請求項５記載のレーザ処理装置において、
前記ステージ上に載置された基板表面で反射して検出された前記検査光に基づいて当該基板表面の所定位置に対して選択的に前記レーザ光が照射されるように、当該ステージを移動させる位置制御部を備えた
ことを特徴とするレーザ照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレーザ処理装置に関し、特には薄膜半導体装置の製造において半導体薄膜のアニール処理に好適に用いられるレーザ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示装置や有機ＥＬ表示装置のようなフラット型表示装置においては、複数画素のアクティブマトリックス表示を行うためのスイッチング素子として、薄膜トランジスタ（thin film transistor：ＴＦＴ）が用いられている。薄膜トランジスタには、多結晶シリコン（poly-Si）あるいは微結晶シリコン（μc-Si）などを活性領域に用いたＴＦＴ（多結晶シリコンＴＦＴ）と、非晶質シリコン（アモルファスＳｉ）を活性領域に用いたＴＦＴ（非晶質シリコンＴＦＴ）とがある。このうち、多結晶シリコンＴＦＴは、非晶質シリコンＴＦＴと比較してキャリアの移動度が１０倍から１００倍程度大きいという特徴があり、スイッチング素子の構成材料として非常に優れた特性を有している。したがって、上述したフラット型表示装置において、表示画像の高精細化とともに、システムオンパネルと呼ばれる様なディスプレイ基板上に様々な機能や回路を持たせて高機能化を図るためには、スイッチング素子として多結晶シリコンＴＦＴを用いることが必須の技術となっている。
【０００３】
以上のような多結晶シリコンＴＦＴの製造技術としては、おおむね６００℃以下の低温プロセスのみを用いる、いわゆる低温ポリシリコンプロセスが開発され、実用化されている。低温ポリシリコンプロセスを用いることにより、基板として石英、単結晶シリコンなどの高耐熱性ではあるが高価な基板を用いる必要がなくなり、抵コストで高精細なフラット型表示装置が実現されるのである。
【０００４】
ここで、低温ポリシリコンプロセスにおいては、先ず、プラズマ分解のＣＶＤ法によって半導体薄膜を成膜する。このようにして成膜された半導体薄膜には水素が含有されるため、次の工程では４５０℃以上の温度での数時間の加熱により、半導体薄膜中に含有された水素を放出する脱水素アニールを行う。その後、半導体薄膜の結晶化のためにエキシマレーザ光の照射によるレーザアニールを行う。この際、大型の基板に対しては、長尺の線状に成形したレーザ光の照射領域をずらしながら、各照射位置に対して複数回のパルス照射を行うことにより、基板の全面において均一なエネルギーでのレーザ光の照射を行い結晶粒径の均一化を図っている（以上、下記特許文献１参照）。
【０００５】
ところで、上述したレーザアニールに用いられるレーザ処理装置のレーザ光源として、従来用いられているエキシマレーザ光源は、出力安定性に欠け、非常に扱い難いデバイスである。そのため、出力安定性の観点から、レーザ光のエネルギーが安定であり、かつ寿命が長い、紫外光領域の固体レーザ光源や半導体レーザ光源を用いるのが望ましいと考えられる。
【０００６】
しかしながら、固体レーザ光源や半導体レーザ光源を用いたレーザ処理装置では、１つの光源のみでは充分なパワーを得ることが困難である。そこで、複数の光源から出射されたレーザ光を合成して、照射領域が広くかつ必要な照射エネルギー密度が得られるに足るレーザ光を生成することが考えられる。ただし、上述したポリシリコン膜を製造する場合には、光束径内の強度分布が均一となっているレーザ光によりレーザアニールをしなければ、結晶粒径にばらつきが生じ薄膜トランジスタの特性が悪化してしまう。そのため、複数の光源から出射されたレーザ光を合成する際には、照射領域内の強度分布を均一化する必要もある。これらの要請に応える装置例として、レーザ光を発する光源を２つ備える２ビーム構成のものが開示されている。そして、基板を載置したステージの駆動により、基板をＸ−Ｙ方向に移動させつつ、これに同期させて基板の表面にレーザ光をパルス照射する（下記特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−３４０５０６号公報（第２１段落参照）
【特許文献２】国際公開ＷＯ０３０４９１７５号公報（ｆｉｇ１５参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、上述した構成に代表されるレーザアニール用のレーザ処理装置のいずれも、より広い範囲に均等にレーザ光を照射することを目的とし、基板のステップ移動に同期させてレーザ光をパルス照射する構成である。そして、このような装置を用いたアニールでは、上述したように、長尺の線状に成形したレーザ光の照射領域をずらしながら、各照射位置に対して複数回のパルス照射を行う、と言った処理が行われる。したがって、例えば表示装置の駆動基板用に配列された素子の一部をアニールするようなプロセスにおいては、照射しているエネルギーの殆どは使用されない領域にエネルギーを費やしており無駄が多い。
【０００９】
近年、フラット型表示装置の製造においては、ガラス基板に換えて、取り扱いが容易なプラスチック基板を用いるプロセスが検討されている。特に、フレキシブルに屈曲するプラスチック基板を用いることで、ロール・ツー・ロールでのプロセスが可能となるため、設備費用の削減において大きなメリットが期待できる。しかしながら、上述したような広範囲にレーザ光を照射する構成では、基板に対する熱的負荷が大きく、プラスチック基板を用いたプロセスへの適用に適しているとは言い難い。
【００１０】
そこで本発明は、基板への熱的負荷を小さく抑えた半導体薄膜のアニール処理に好適に用いることが可能なレーザ処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
このような目的を達成するための本発明のレーザ処理装置は、処理対象となる基板を載置するステージを備えている。また、ステージ上に載置された基板表面に対して法線方向からレーザ光を照射する光源部を備えている。そして、光源部から照射されたレーザ光の光路上には、ステージ上に載置された基板表面の法線方向を軸方向として対物レンズが配置されている。またさらに、対物レンズをその軸に対して垂直方向に移動させることにより、ステージ上に載置された基板に対して当該レーザ光を走査させる走査制御部を備えている。
【００１２】
このような構成のレーザ処理装置では、ステージ上に載置された基板に対して対物レンズを移動させることによってレーザ光を走査させる走査制御部を設けている。このため、ステージの駆動によってレーザ光の照射位置を走査させる場合と比較して、基板に対してレーザ光を高速度で走査することができる。これにより例えば、０．１ｍ／秒を越える高速で基板に対してレーザ光を走査させながら、当該基板に対してレーザ光の照射が行われるようになる。そして、基板に対するレーザ光の移動速度によって、当該基板に対する熱的負荷を軽減させると言ったアニール工程を行うことができる。また、このようなレーザ光の照射を基板に対する必要部分のみに選択的に行うことにより、さらに基板に対する熱的負荷が軽減される。
【００１３】
そして特に、このレーザ処理装置に設けられた走査制御部は、レーザ光の光軸に対して垂直方向に対物レンズを移動させるものであるため、レーザ光の光軸を一定方向に保った状態で当該レーザ光の走査が行われる。したがって、収差のない、すなわち一定のエネルギーでのレーザ光照射による処理が行われる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、レーザ光の移動速度を高速で調整することによって、当該基板に対する熱的負荷を軽減させたアニール工程を行うことが可能になる。したがって、例えば基板上の半導体薄膜を結晶化するためのアニール処理において、さらに耐熱性の低いプラスチック基板等を用いることが可能になる。この結果、例えば薄膜半導体装置の製造工程において、ロール・ツー・ロールでの設備費用を抑えた量産プロセスを実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。ここで説明する実施形態のレーザ処理装置は、いわゆる半導体薄膜の結晶化活性化等の工程において、基板上に形成されたシリコンやゲルマニウム等の非晶質半導体膜を結晶化、活性化するために用いられる装置である。
【００１６】
＜第１実施形態＞
図１は第１実施形態のレーザ処理装置を示す構成図である。この図に示すレーザ処理装置は、処理対象となる基板を載置するステージ１、および処理に用いるレーザ光Ｌｈを照射するための光源部２を備えている。また、ステージ１と光源部２との間には、対物レンズ３が設けられ、この対物レンズ３にはレーザ光Ｌｈを走査するための走査制御部４が設けられている。またこのレーザ処理装置には、検査光ｆｈを照射するための検査光源部６、フォーカス制御部７、および位置制御部８が備えられている。
【００１７】
このうち、ステージ１は、当該ステージ１上に載置した基板Ｗを水平に保ち、その水平面内におけるＸ−Ｙ方向に基板Ｗを自在に移動・走査させることが可能なスライダを設けた構成となっている。ここで、このステージ１上に載置される基板Ｗが可とう性を有してフレキシブルに屈曲する場合、ステージ１はその端部にロール・ツー・ロールの基板巻き取り機構を設け、基板Ｗを走査させる一方向（例えば±Ｙ方向）に基板Ｗを巻き取り自在に構成されたものであっても良い。尚、図面上においては、Ｙ方向を図面上の奥行き方向としている。
【００１８】
そして、光源部２には、半導体レーザ発振器２ａが設けられている。半導体レーザ発振器２ａとしては、このレーザ処理装置を用いてどのような処理を行うかによって適切な波長のレーザ光Ｌｈを発振するものが選択される。例えば、このレーザ処理装置を非晶質シリコンからなる半導体薄膜の結晶化および活性化に用いる場合、発振波長が３５０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長を含む、ＧａおよびＮを含む化合物半導体レーザ発振器が用いられる。この他にも、酸化亜鉛やＺｎ、Ｃｄ、Ｓｅ、Ｓなど、いわゆるＩＩ−ＶＩ族半導体材料を活性層主成分とする半導体レーザ共振器、またはＡｌ、Ｇａ、Ｉｎ、Ａｓ及びＰなど、いわゆるＩＩＩ−Ｖ族半導体を活性層主成分とするレーザ共振器と擬似位相整合やチェレンコフ光放出などを用いた第二高調波とを組み合わせたレーザ共振器を用いることもできる。特に、結晶化及び活性化に必要なハイパワー（例えば連続照射で定格４０ｍＷ以上）のＧａＮ系化合物半導レーザ発振器が好適に用いられる。
【００１９】
また、この光源部２は、半導体レーザ発振器２ａから発振されたレーザ光Ｌｈの光路上に複数の部材を配置してなり、ステージ１上に配置された基板Ｗの表面に対してその法線方向からレーザ光Ｌｈが照射されるように構成されている。このような光源部２の構成を、レーザ光Ｌｈの光路順に沿って説明する。
【００２０】
すなわち、半導体レーザ発振器２ａから発振されたレーザ光Ｌｈは、大きな広がり角で広がる。このため、半導体レーザ発振器２ａの後段には、開口数ＮＡの大きなコリメータレンズ２ｂが配置され、レーザ光Ｌｈはコリメータレンズ２ｂに入射して平行光とされる。また、半導体レーザ発振器２ａから発振されたレーザ光Ｌｈは、半導体レーザの結晶成長方向とこれに平行な方向とで広がり角が異なるため、コリメータレンズ２ｂで平行光とされた状態でビーム形状が楕円となっている。このため、コリメータレンズ２ｂの後段には、２枚のプリズムを組み合わせたアナモルフィックプリズム２ｃが配置され、レーザ光Ｌｈはアナモルフィックプリズム２ｃに入射してビーム形状が円形ビームに変換される。
【００２１】
そして、アナモルフィックプリズム２ｃの後段には、Ｐ波の透過率Ｔp＝１００％、Ｓ波の反射率Ｒs＝１００％となるように設計された偏光ビームスプリッタ２ｄが配置されている。ここで、紙面に対して平行な面を屈折面としたときに、予め半導体レーザ発振器２ａから発振されるレーザ光Ｌｈの方位を紙面に平行な方向に偏光するように設置しておくこととする。これにより、円形ビームに変換されたレーザ光Ｌｈ（例えば波長４０５ｎｍ）が、偏光ビームスプリッタ２ｄを透過する構成となっている。
【００２２】
そして、偏光ビームスプリッタ２ｄの後段にはλ／４板２ｅが配置され、このλ／４板２ｅを通過することでレーザ光Ｌｈが円偏光となる。さらに、λ／４板２ｅの後段には、ダイクロイックプリズム２ｆが配置され、このダイクロイックプリズム２ｆによって、ステージ１上に配置された基板Ｗの表面に対してその法線方向からレーザ光Ｌｈが照射される構成となっている。
【００２３】
尚、基板Ｗで反射したレーザ光Ｌｈは、さらにダイクロイックプリズム２ｆで反射してλ／４板２ｅに入射される。そして、このλ／４板２ｅにおいて入射時とは直交した直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ２ｄで反射して、ビームダンパー２ｇにより吸収される。このような光路により、半導体レーザ発振器２ａに戻る光を最小にすることができ、レーザ発振が安定に保たれる構成となっている。
【００２４】
そして、以上のような構成の光源部２とステージ１との間に配置された対物レンズ３は、ステージ１上に載置された基板Ｗ表面の法線方向を軸方向（レンズ軸方向）とした状態で、光源部２からステージ１に向けって照射されるレーザ光Ｌｈの光路上に配置されている。
【００２５】
この対物レンズ３は、ガラスあるいは樹脂で形成されており、レーザ光Ｌｈ（例えば波長４０５ｎｍ）、および次に説明する検査光（例えば波長８３０ｎｍ）に対して色収差補正されていることが望ましい。また、複数の組合せレンズと比較し、焦点のサイズを小さくしようとした場合に収差を小さくするための設計が容易であり、また安価である。
【００２６】
そして特に、この対物レンズ３は、ここでの図示を省略した二軸アクチェータに搭載された状態で設けられていることとる。これにより、対物レンズ３は、次に説明する走査制御部４外部からの駆動信号により、レンズ軸（光軸）方向とこれに垂直な方向との２軸方向に動くように構成されている。尚、二軸アクチェータは、ボイスコイルやピエゾアクチュエーター等で良く、その形態が制限されることはない。
【００２７】
そして、このような対物レンズ３に設けられた走査制御部４は、対物レンズ３が搭載されている二軸アクチェータの駆動を制御する二軸デバイスドライバー（走査制御部）４として設けられている。この二軸デバイスドライバー（走査制御部）４は、以降に説明するフォーカス制御部７、および位置制御部８の一部を兼ねるものでもある。
【００２８】
ここで、対物レンズ３に入射するレーザ光Ｌｈはコリメート光であり、焦点でのビーム形状はsinc関数で表される。そして、対物レンズ３の開口数ＮＡ、レーザ光Ｌｈの波長λとした場合、ビーム径（振幅が0になる最小の円の径）φは次の式（１）で表される。φ＝２．４４×λ／（２×ＮＡ）…（１）
【００２９】
このようなレーザ光Ｌｈにおいては、光軸（レンズ軸）と垂直な方向の強度がコリメート部ではガウシアン分布となっている。このため、二軸デバイスドライバー（走査制御部）４による光軸と垂直方向への対物レンズ３の移動は、対物レンズ３が作る焦点でのパワー密度が５％以下の変化となる範囲で行われるように設定されていることとする。これにより、対物レンズ３の移動によってレーザ光Ｌｈを走査させた場合に、各走査位置でのレーザ光Ｌｈの照射強度の変化が小さく抑えられる構成となっている。一例として、開口数ＮＡが０．８５の対物レンズ３を用いた場合、対物レンズ３のレンズ軸（中心位置）から±５０μｍの範囲でレーザ光Ｌｈが入射されるように対物レンズ３を移動させることで、対物レンズ３が作る焦点でのパワー密度の変化を５％以下に抑えることができる。尚、対物レンズ３の移動によるレーザ光Ｌｈの走査範囲がなるべく広げられるように、レーザ光Ｌｈの強度分布や対物レンズの開口の大きさが設計されていることが好ましい。
【００３０】
次に、検査光源部６には、検査光ｆｈを発振する検査光発振器６ａが設けられている。ここで検査光ｆｈとしては、処理対象となる材料に対して吸収されない波長の光が用いられることとする。このため、例えば非晶質シリコンからなる半導体薄膜の結晶化および活性化にレーザ処理装置を用いる場合には、シリコン系半導体膜での吸収がわずかになる６５０ｎｍ以上の波長、好ましくは波長８３０ｎｍのレーザ光が検査光ｆｈとして用いられる。これにより、検査光ｆｈ照射による基板Ｗ表面への影響を防止する。このような検査光ｆｈを発振する検査光源部６としては、例えば波長８３０ｎｍのレーザ光を検査光ｆｈとして発振するレーザ発振器が用いられる。
【００３１】
また、この検査光源部６は、検査光発振器６ａから発振された検査光ｆｈの光路上に複数の部材を配置してなり、上述したレーザ光Ｌｈと共に対物レンズ３を介してステージ１上に配置された基板Ｗの表面に照射されるように構成されている。このような検査光源部６の構成は、上述した光源部２とほぼ同様の構成となっている。
【００３２】
すなわち、検査光発振器６ａから発振された検査光ｆｈは、コリメータレンズ６ｂに入射して平行光とされ、アナモルフィックプリズムｂに入射してビーム形状が円形ビームに変換される。そして、この検査光ｆｈは、Ｐ波の透過率Ｔp＝１００％、Ｓ波の反射率Ｒs＝１００％となるように設計された偏光ビームスプリッタ６ｄを透過し、λ／４板６ｅを通過することで円偏光となる。そして、光源部２のダイクロイックプリズム２ｆを透過してレーザ光Ｌｈと合成され、対物レンズ３に入射される。
【００３３】
尚、基板Ｗで反射した検査光ｆｈは、ダイクロイックプリズム２ｆを透過してλ／４板６ｅに入射される。そして、このλ／４板６ｅにおいて入射時とは直交した直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ６ｄで反射して、フォーカス制御部７および位置制御部８に導かれる。
【００３４】
そして、偏光ビームスプリッタ６ｄにおいて反射した検査光ｆｈが導かれたフォーカス制御部７には、検査光ｆｈの進行方向に向かって、シリンドリカルレンズ７ａ、集光レンズ７ｂ、および４分割ディテクター７ｃがこの順に配置されている。
【００３５】
シリンドリカルレンズ７ａは、非点収差を発生させるためのものである。そして、４分割ディテクター７ｃは、処理対象物としてステージ１上に配置される基板Ｗと結像関係にある。したがって、基板Ｗ上に対物レンズ３の焦点があるときは、検査光ｆｈは４分割ディテクター７ｃの中央に焦点を結ぶ。一方、対物レンズ３の焦点が、基板Ｗ表面よりも上あるいは下にあるときは、シリンドリカルレンズ７ａによる非点収差が発生し、４分割ディテクター７ｃ上には、縦あるいは横方向に長軸をもつ楕円のビームが投影される。
【００３６】
そこで、下記のように４分割ディテクター７ｃの各ディテクター部分からの出力信号Ａ〜Ｄを定義したときに、（Ａ＋Ｃ）−（Ｂ＋Ｄ）なる信号は、対物レンズ３の焦点が物体の上か下かでプラスとマイナスの符号を変え、焦点が物体上にあるときにこの信号は０になる。したがって、この信号を、フォーカスサーボを行うときの誤差信号（ｆｏｃｕｓ  ｅｒｒｏｒ信号）として利用し、この誤差信号を対物レンズ３の走査制御部４にフィードバックして、信号が０となるように対物レンズ３をそのレンズ軸方向（図面上の上下方向）に移動してフォーカスサーボが行われる構成となっている。
【００３７】
また、上述した、偏光ビームスプリッタ６ｄにおいて反射した検査光ｆｈが導かれた位置制御部８には、検査光ｆｈの進行方向に向かって、フォーカス制御部７と画像信号位置認識部８ａとがこの順に配置されている。ここで、フォーカス制御部７は、位置制御部８の一部を兼ねたものであることとする。
【００３８】
そして、フォーカス制御部７の後段に設けられた画像信号位置認識部８ａは、処理対象となる基板Ｗの表面の情報と、４分割ディテクター７ｃの各ディテクター部分からの出力信号Ａ〜Ｄとに基づいて、対物レンズ３を透過して検査光ｆｈが照射される位置を認識するものである。
【００３９】
つまり、４分割ディテクター７ｃの各ディテクター部分からの出力信号Ａ〜Ｄを定義したときに、（Ａ＋Ｂ＋Ｃ＋Ｄ）なる和信号は、露光対象物の反射率の変化を示す信号となる。そこで、処理対処となる基板Ｗに、基板Ｗ上の二次元平面内において同一の基準点となるアライメント・マークをパターン形成しておくこととする。そして、画像信号位置認識部８ａでは、予め得られている基板Ｗの表面の形状情報（アライメント・マークの配置情報）と、ステージ１の移動によって基板Ｗ表面において検査光ｆｈを走査させて得られた上記和信号の変化とから、基板Ｗ表面における検査光ｆｈの照射位置が認識される構成となっている。
【００４０】
また、このレーザ処理装置においては、画像信号位置認識部８ａで認識された検査光ｆｈの照射位置から、このレーザ処理装置を用いたアニール処理のための基準点を求める。そして、この基準点に基づいて、ステージ１を移動させることにより、レーザ処理装置における基板Ｗの配置状態を所定状態にする。つまり、基板Ｗの表面においてアニール処理を施したい部分が、レーザ光Ｌｈの照射位置となるように、ステージ１の駆動によって対物レンズ３に対して基板Ｗを移動させる構成となっている。
【００４１】
またさらに、この位置制御部８は、上述したようにレーザ光Ｌｈが所定の照射位置となるようにステージ１を駆動させた状態で、半導体レーザ発振器２ａからのレーザ光Ｌｈの発振のオン／オフを制御することで、基板Ｗ表面において目的とする部分のみにレーザ光Ｌｈが照射される構成となっている。そして、レーザ光Ｌｈを照射した状態において、二軸デバイスドライバー（走査制御部）４によって対物レンズ３をその軸に対して垂直方向に移動させることにより、ステージ１上に載置された基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈが走査される構成となっている。
【００４２】
尚、以上のレーザ処理装置においては、ステージ１の駆動によるレーザ光Ｌｈの照射位置の移動と、その照射位置においての対物レンズ３の移動によるレーザ光Ｌｈの走査とを繰り返し行うことにより、ステージ１上に載置した基板Ｗ表面の任意の位置に対してレーザ光Ｌｈを照射した処理を行うことができる。
【００４３】
そして以上のような構成のうち、光源部２、対物レンズ３、走査制御部４，検査光源部６、フォーカス制御部７、および位置制御部８によって処理ユニット１０が構成され、１つのレーザ処理装置における１つのステージ１に対して、複数の処理ユニット１０が設けられていても良い。
【００４４】
以上のような構成のレーザ処理装置によれば、ステージ１上に載置された基板Ｗに対して対物レンズ３を移動させることによってレーザ光Ｌｈを走査させる走査制御部４を設けている。このため、ステージ１の駆動によってレーザ光Ｌｈの照射位置を走査させる場合と比較して、基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈを高速度で走査することができる。これにより例えば、０．１ｍ／秒を越える高速で基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈを走査させながら、当該基板Ｗに対してレーザ光Ｌｈの照射が行われるようになる。そして、基板Ｗに対するレーザ光Ｌｈの移動速度によって、基板Ｗに対する熱的負荷を軽減させると言ったアニール工程を行うことができる。また、このようなレーザ光Ｌｈの照射を基板Ｗに対する必要部分のみに選択的に行うことにより、さらに基板Ｗに対する熱的負荷が軽減される。
【００４５】
この結果、レーザ光Ｌｈの移動速度を高速で調整することによって、基板Ｗに対する熱的負荷を軽減させたアニール工程を行うことが可能になるため、例えば基板Ｗ上の半導体薄膜を結晶化するためのアニール処理において、さらに耐熱性の低いプラスチック基板等を用いることが可能になる。またこれにより、例えば薄膜半導体装置の製造工程において、ロール・ツー・ロールでの設備費用を抑えた量産プロセスを実現することができる。
【００４６】
また半導体レーザ発振器２ａから発振させるレーザ光Ｌｈの出力調整によってレーザ光Ｌｈの強度変調行うことおよびＡＣ駆動の場合ではＤｕｔｙを変えることで、該基板上のＸＹ二次元の領域内に任意のレーザ強度分布パターンを形成することも可能となる。
【００４７】
しかも、半導体レーザ発振器２ａを設けたことにより、エキシマレーザ装置やＹＡＧレーザに比べて、光源部２を小型化して装置全体の小型化を図ることが可能となる。また、光源部２が小型されるため、光源部２を備えた処理ユニット１０を複数設けて基板Ｗの各位置に対してレーザ光を多点照射する構成とすることもできる。これにより、レーザ照射を行う工程を短縮して生産性の向上を図ることが可能になる。
【００４８】
尚、このレーザ処理装置を非晶質シリコンからなる半導体薄膜の結晶化および活性化に用いる場合においては、基板Ｗに対するレーザ光Ｌｈの連続照射とは、レーザ光Ｌｈの移動に際して休止無く完全に連続である場合と共に、レーザ光Ｌｈの照射によって溶融した半導体薄膜部分の凝固が完全に完了しない程度の休止が入る場合を含むこととする。このため、このような条件を満たせば、照射時間よりも短い休止時間が入る場合も連続照射に含まれ、一例として半導体薄膜部分への１００ｎｓの照射時間に対して１０〜２０ｎｓ程度の休止が入る場合も連続照射に含むこととする。尚、照射時間に対する休止時間は、半導体薄膜の材質および膜厚、レーザ光Ｌｈのエネルギー密度、等によって適宜設計される。このような休止時間を入れることにより、レーザ光Ｌｈ照射による基板Ｗへの熱的影響を抑えることができる。尚、エキシマレーザ光は完全なパルス波であり、３００Ｈｚ程度のパルス波であれば、２５ｎｓの照射時間に対して３３００ｎｓ程度の休止が入ることになる。このため、エキシマレーザ光では、レーザ光Ｌｈの照射によって溶融した半導体薄膜５部分の凝固が完全した状態で次のパルス照射が行われることになるため、上述したいわゆる「連続照射」を行うことはできない。
【００４９】
次に、上述したレーザ処理装置を用いたアニール処理の一例として、基板Ｗの表面を覆う非晶質シリコンからなる半導体薄膜を結晶化するためのアニール処理を説明する。ここでは、基板Ｗとして、例えばプラスチック基板上に断熱用のバッファ層を介しての非晶質シリコンからなる半導体薄膜が形成されたものを用いる。この半導体薄膜は、成膜温度を低く抑えることが可能なＰＥ−ＣＶＤ（plasma enhancement-chemical vapor deposition）法によって５０ｎｍの膜厚で成膜されていることとする。このようにして成膜された半導体薄膜は、多量の水素が含有されたいわゆる水素化非晶質シリコン（ａ−Ｓｉ：Ｈ）からなる。
【００５０】
以上のような半導体薄膜に対しては、通常、熱処理炉内での脱水素アニール処理により水素抜きを行った後に、結晶化のためのレーザアニール処理を行う。これにより、レーザアニール処理の際に、水素イオンがガス化して膨張し膜を破壊する、いわゆるアブレーションを防止するのである。
【００５１】
しかしながらここでは、上記のレーザ処理装置を用いることで、４５０℃以上の温度で数時間の脱水素アニールを前処理として行うことなく、次のようなレーザアニール処理のみでの結晶化を行うことが可能になる。すなわち、上記レーザ処理装置を用い、半導体薄膜に対して所定速度で照射位置を移動させながら、ＧａＮ系化合物半導体レーザ発振器からの３５０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長のレーザ光Ｌｈを照射する。この際、レーザ光の照射は連続照射とする。これにより、半導体薄膜の結晶化と共に、当該半導体薄膜中において水素イオンをガス化して膨張させることなくレーザ光Ｌｈの照射部から余剰水素を除去するのである。
【００５２】
これにより、レーザ光Ｌｈの照射部のみを結晶化し、さらにはこの部分の活性化を行うことが可能となっている
【００５３】
このようなレーザアニール処理では、上記レーザ処理装置を用いたことにより、半導体薄膜に対するレーザ光の照射位置を高速の所定速度で移動させることが可能であり、レーザ光の照射による半導体薄膜の発熱が基板にまで影響することを防止している。さらに、このアニール工程においては、半導体薄膜に対してレーザ光を連続照射しながら移動させる構成としている。これにより、レーザ光の照射部における余剰水素がレーザ光の移動に伴って半導体薄膜中を移動し続けることになるため、結晶化領域中から余剰水素が除去される。したがって、４５０℃以上の温度で数時間の脱水素アニール処理を、別工程で行う必要はない。しかも、レーザ光の照射部からは余剰水素が除去されるものの、適量の水素が残存した状態となる。したがって、本レーザアニール処理により、半導体薄膜における結晶化領域中の脱水素と水素化処理とが同時に行われる。
【００５４】
そしてこれにより、レーザ光の照射による半導体薄膜の発熱が基板にまで影響することを防止しつつも、４５０℃以上の温度で数時間の脱水素アニール処理を別工程で行うことなく、半導体薄膜の結晶化のためのアニール工程において脱水素を同時に行うことが可能になる。これにより、結晶化した半導体薄膜を用いた高機能な薄膜半導体装置の基板として、さらに耐熱性の低い材料を用いることが可能になる。この結果、プラスチック基板を用いることが可能になり、例えばロール・ツー・ロールでの設備費用を抑えた量産プロセスを実現することができる。また、上述した半導体薄膜の結晶化および脱水素と共に、水素化処理も同時に行われるため、結晶化した半導体薄膜を用いた薄膜半導体装置の製造プロセスの簡略化とこれにより生産性の向上を図ることが可能になる。
【００５５】
尚、上述した構成のレーザ処理装置において、対物レンズの実効的なＮａを例えば０．４とし、さらに実質的な光学効率を０．２５とした場合、平均で２．６ｍＷ／ｃｍ２のエネルギー密度が可能となり、走査速度を１．２ｍ／ｓ程度に調整すると、膜上の一点を通過するビーム径の通過時間は約１００ｎｓとなり、最大２．６Ｊ／ｃｍ２相当のエネルギーを照射可能であることがわかる。
【００５６】
そこで、ＰＥ−ＣＶＤ法で成膜した膜厚５０ｎｍの半導体薄膜５ａ（ａ−Ｓｉ：Ｈ）に対して、移動速度ｖｔ＝８．２ｍ／秒で１Ｊ／ｃｍ2相当のエネルギーでレーザ光Ｌｈを照射したところ、図２に示すように、図中矢印で示すレーザ光Ｌｈの移動方向に凸となる三日月形の結晶粒ａが、レーザ光Ｌｈの移動方向（矢印方向）に沿って配列されることが確認された。結晶粒ａは、幅８００ｎｍ×移動方向長さ１００ｎｍ程度であった。またレーザ光の照射終了端には、半導体薄膜の結晶領域Ａの端部に余剰水素がボイド状に析出した欠陥が見られた。またレーザ光Ｌｈの照射開始端にもレーザ光の移動と反対方向に凝固が進んだ領域に部分的に同様の欠陥が見られた。
【００５７】
また、ここで、対物レンズの実効的なＮａを例えば０．６として設計した定格６０ｍＷのＧａＮレーザ発振器を用いたレーザ装置において、さらに実質的な光学効率が０．５の場合、平均で１７．７ＭＷ／ｃｍ２のエネルギー密度が可能となる。したがって、レーザ光の走査速度を８．２ｍ／Ｓ程度まで上げられるとすると、半導体薄膜の一点を通過するレーザ光の通過時間（すなわち照射時間）は約１００ｎｓとなり、最大１．７７Ｊ／ｃｍ２相当のエネルギーを照射可能であることがわかる。この場合でも、ＣＶＤ法によって成膜した膜厚５０ｎｍの非晶質シリコンからなる半導体薄膜に対して、この装置を用いて１Ｊ／ｃｍ２相当のエネルギーを投入したところ、結晶化が可能であることが確認された。
【００５８】
＜第２実施形態＞
図３は、第２実施形態のレーザ処理装置を示す構成図である。この図に示すレーザ処理装置と図１を用いて説明した第１実施形態のレーザ処理装置との異なるところは、位置制御部８’の構成にあり、他の構成は同様であることとする。
【００５９】
すなわち、図３に示す第２実施形態のレーザ処理装置に設けられた位置制御部８’は、ここでの図示を省略した照明光源を備えている。この照明光源からは、ステージ１上に載置した基板Ｗの表面に対して、透過あるいは落射の照明光が照射される。そして、基板Ｗの表面から対物レンズ３およびダイクロイックプリズム２ｆを透過した照明光Ｈと検査光ｆＨの一部を反射させ、反射しない検査光ｆｈを透過させるダイクロイックプリズム６ｆが、照明光Ｈおよび検査光ｆｈの光路に配置されている。
【００６０】
そして、このダイクロイックプリズム６ｆで反射した照明光Ｈの光路に、位置制御部８’を構成する集光レンズ８ａ’、ＣＣＤ８ｂ’、および画像信号位置認識部８ｃ’が、この順い配置されている。そして、対物レンズ３と集光レンズ８ａ’とにより、ステージ１上に載置された基板Ｗ表面の物体と焦点位置が、ＣＣＤ８ｂ’上に結像される構成となっている。そして、このＣＣＤ８ｂ’の画像情報を処理することによりステージ１上の基板Ｗ表面にいて、レーザ光Ｌｈを照射する位置を特定する。また、ＣＣＤ８ｂ’の画像情報に基づいて、二軸デバイスドライバー（走査制御手段）４と、半導体レーザ発振器２ａのドライバーに信号を送り、基板Ｗ上の特定箇所において対物レンズ３の移動によってレーザ光Ｌｈを走査させると共に焦点位置を調節しつつ、基板Ｗ表面の処理を行う。
【００６１】
以上のような構成のレーザ処理装置においても、光源部２、対物レンズ３、走査制御部４，検査光源部６、フォーカス制御部７、および位置制御部８’によって処理ユニット１０’が構成され、１つのレーザ処理装置における１つのステージ１に対して、複数の処理ユニット１０’が設けられていても良い。
【００６２】
以上のような構成のレーザ処理装置であっても、ステージ１上に載置された基板Ｗに対して対物レンズ３を移動させることによってレーザ光Ｌｈの走査が行われるため、第１実施形態と同様に、レーザ光Ｌｈの移動速度を高速で調整することによって、基板Ｗに対する熱的負荷を軽減させたアニール工程を行うことが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１実施形態のレーザ処理装置の構成図である。
【図２】本発明処理装置を用いたレーザアニール工程で得られる結晶粒を説明する平面図である。
【図３】第２実施形態のレーザ処理装置の構成図である。
【符号の説明】
【００６４】
１…ステージ、２…光源部、３…対物レンズ、４…二軸デバイスドライバー（走査制御部）、６…検査光源部、７…フォーカス制御部、８，８’…位置制御部、１０，１０’…処理ユニット、Ｌｈ…レーザ光、ｆｈ…検査光、Ｗ…基板
【図１】
2006344844.tif 000003
【図２】
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【図３】
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